湖南保靖区块页岩气参数井钻探实践_董振国.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY key point of drilling; borehole structure; drilling fluid; technical measures; Baojingblock 近年来， 页岩气受到人们的广泛关注。 2010 年， 中石油在威远区块威 201 直井参数井获得高产页岩 气流，揭开了我国页岩气勘探开发的序幕，2011 年 原国土资源部将其列为国家第 172 种新独立矿种， 原神华集团作为国有特大型综合性能源企业，积极 参与了第二轮页岩气区块投标，2013 年 1 月 5 日中 标湖南保靖页岩气区块，区块主体位于湖南西部保 靖县境内，面积为 1 189.72 km2，区块范围东西长 37 km，南北宽 32 km图 1，区块内沉积水环境由西 向东变浅， 研究区西部龙马溪组泥页岩发育， 有机碳 含量较高，成熟度较高，具有较好的勘探潜力[1-2]。 钻井主要目的层为下古生界下志留统龙马溪组，目 的层最大埋深为 2 500 m。 由于保靖区块属于高陡构 造区、地层倾角变化大2047、地层造斜能力强， 施工过程中极易发生井斜和垮塌，严重者需填井重 钻。所以如何经济高效地钻页岩气井，为后期页岩 ChaoXing 78煤田地质与勘探第 46 卷 气规模经济性的开发提供支撑成为一个重要的研究 方向[3]。机械岩心钻探与常规的石油钻井相比，具 有施工成本低、全井取心、操作人员少、井场占地 面积小、钻井液和岩屑废弃物产出少等特点，获得 了广泛应用。根据钻井部署，在保靖区块马蹄寨 野竹坪向斜翼部通过岩心钻探手段钻参数井，查明 龙马溪组页岩层发育状况、赋存状态、页岩储层特 征和含气性，为开展页岩气资源潜力评价和有利区 优选提供基础参数。 从 2013 年保靖区块第一口页岩 气参数井开钻至今，已完钻 3 口小口径页岩气参数 井，通过参数井的钻探实践，掌握了页岩气参数井 的施工技术， 为今后页岩气的规模开发奠定了基础。 图 1湖南省保靖页岩气区块位置图 Fig.1Position map of shale gas block in Baojing, Hunan 1地层特点与钻探难点 自下而上钻遇地层为元古界震旦系，下古生界 寒武系、奥陶系、志留系，上古生界泥盆系、二叠 系，中生界三叠系及第四系。下志留统龙马溪组为 区块内主要富有机质页岩发育层位，是区块内页岩 气勘探的主要目的层[4-5]。 该区块进行钻探有以下难点①地表条件差， 地势狭窄崎岖，交通不便、后勤供应困难等；②地 层出露老，上部地层灰岩裂缝溶洞发育，地下水活 跃，钻井过程中防止井漏和地下水涌出；③地层可 钻性差，下部古生代地层，致密坚硬，岩石强度高， 机械钻速低，单只钻头进尺低；④长裸眼、井径不 规则、 钻压传递困难； ⑤地层倾角 2047， 易井斜； ⑥龙马溪组目的层优质页岩厚度仅 10 m，分布不均 匀，层理发育图 2。 图 2保靖区块龙马溪组页岩层理结构图 Fig.2Shale stratigraphic structure of the Longmaxi ation in Baojing block, Hunan 2工程概况 根据钻井部署和井位优选，本轮钻井3 口，具体位 置如图3 所示。 图 3保靖区块钻井井位示意图 Fig.3Schematic diagram of well drilling in Baojing block, Hunan 保参 1 井位于马蹄寨野竹坪向斜东翼北部，钻 井目的是为保靖区块地震勘探做 VSP 标定，并调查龙 马溪组页岩含气性。该井终孔孔深为 1 168.1 m，为小 井眼全井取心参数井。一开采用Ф168 mm 合金钻头 钻至 2.07 m，换Ф146 mm 钻头钻进至 3.07 m；二开 采用 JS122 mm 绳索取心钻进至 36.80 m；三开采用 JS-96 金刚石绳索取心钻进方式钻至终孔， 平均取心 率 95，钻井周期 82 d。完井后，打水泥塞封闭弃 井。 保参 2 井位于主体向斜西翼中部，钻井目的是 查明龙马溪组页岩含气性。该井终孔孔深为973m， 一开采用Ф152 mm 钻头钻进至 4.5 m；二开采用 Ф122 mm 孔径继续钻进 31.5 m；三开采用 JS-97 金 刚石绳索取心钻进方式钻至终孔，平均取心率 100， 钻井周期 70 d。完井后，打水泥塞封闭弃井。 保参 3 井位于西北角八面山向斜东翼，钻井目 的是调查龙马溪组含气性，并为区块向西扩展提供 依据。 该井终孔孔深 1 132.56 m。 一开采用Ф152 mm ChaoXing 增刊 1董振国 湖南保靖区块页岩气参数井钻探实践79 钻头钻进至 16.12 m；二开采用Ф122 mm 孔径继续 钻进 342 m； 三开采用 JS-97 金刚石绳索取心钻进方 式钻至终孔，平均取心率 97.99，钻井周期 42 d。 完井后，打水泥塞封闭弃井表 1。 表 1保靖区块钻井情况 Table 1Drilling situation in Baojing block of Hunan 井名设计井深/m完钻井深/m钻机类型开钻日期钻井周期/d取心率/最大井斜/方位/ 保参11 3501 168.10XY-6B/YDX-18002013-06-20829511.5113 保参21 190973.03HCR-82014-07-277010018.4283.9 保参31 0901 132.56HCR-82014-12-194297.995.15107 3钻探技术方案 3.1地层压力评价和岩石可钻性研究 a. 地层压力评价 通过声波测井可提取地层压力系数，建立地层 压力剖面[4-5]，保靖区块基本为正常压力系统，地层 压力系数 1.031.05，破裂压力系数 1.362.0图 4。 图 4保参 2 井地层压力系数 Fig.4Pressure coefficient of well Baocan 2 well b. 岩石可钻性 根据测井资料可提取岩石可钻性，建立岩石力 学模型。通过测井资料处理获得保靖区块岩石单轴 抗压强度UCS为 100200 MPa，说明岩石坚硬图 5；根据实验数据进行回归分析，建立了地层可钻 性级值和声波时差的关系[6-7]式 1，通过计算获得 岩石可钻性级值为 5.656.60表 2， 属于中–硬地层。 据此，可优选钻头类型和钻头 IADC 代码。 图 5岩石抗压强度分布频率图 Fig.5Frequency of rock compressive strength distribution 3 5.27 10 d 22.2 e1.238 T K  1 式中 d K为地层可钻性级值；T为岩石声波时差，μs/m。 表 2岩石可钻性级值 Table 2Rock drillability grade 地层地层厚度/m声波/μs0.304 8 m–1岩石抗压强度UCS/MPa可钻性级别地层分类钻头 IADC 编码 云台观组42668.515.65中5-1-5、5-3-5 小溪峪组13863.466.18硬5-1-5 回心哨组8265.445.93中5-1-7 吴家院组25766.825.78中5-4-5 溶溪组64764.721006.03硬5-1-6 马脚冲组68463.371101506.19硬5-1-6 小河坝组44661.981201606.38硬5-1-6、5-1-7 龙马溪组8260.381802006.60中–硬5-3-7 3.2钻孔结构 根据地层压力剖面、地质特点和目的层的埋深 情况，优化套管层次和下深，对保靖区块以龙马溪 组为主要目的层的钻孔结构由2013年保参1井四级 简化为2014年保参2井、 保参3井三级井深结构图 6，节省了钻井费用和管材成本[8]。 3.3钻机选择 根据地质设计，本次钻探施工任务为三口页岩 ChaoXing 80煤田地质与勘探第46卷 气参数井，最大井深1 168 m，依据标准钻机负荷的 选择原则，选择钻深能力不低于1 500 m以上级别 钻机，能够基本满足本次钻探施工，推荐采用的钻 探设备为黄海探矿厂HCR-8型全液压岩心钻机或其 他等同级别的岩心钻机及配套设备表3。 3.4施工工艺和技术措施以保参 3 井为例 a. 实际钻孔结构 一开采用Ф152 mm金刚石钻头钻至16.12 m， 下入Ф146 mm表层套管至井深16.12 m，并做井口 止水； 二开采用S95A绳索取心钻进， 再用Ф122 mm 金刚石钻头扩孔至342 m， 下入Ф114 mm技术套管， 后用S95A金刚石绳索取心方式钻进至终孔。 图 6保靖区块小井眼参数井井身结构示意图 Fig.6Sketch map of slim hole parameter well body in Baojing block, Hunan 表 3推荐施工设备配置表 Table 3Configuration of recommend construction equipment 序号名称型号产地单位数量序号名称型号产地单位数量 1钻机HCR-8黄海探矿厂台19取心钻具S95A套1 2电焊机ZX7-400GT上海台110钻井液搅拌机黄海探矿探厂台1 3发电机组6135120KW111副绞车黄海探矿探厂台1 4发电机 TZH-120120KW 上海机电设备公司台112测斜仪BZE-SR北京北正伟业台1 5钻井液泵BW-400衡阳探矿厂台113钻井液测试仪四件套青岛仪器厂套1 6双管总成S95A无锡探矿厂套414气体检测仪M40北京环宇科信台1 7钻杆S95A米120015防毒面具北京环宇科信个7 8钻铤S95A米30016井口引流器神华地勘个1 保参3井孔深1 132.56 m，由于上部断层的发 育致使地层重复、破碎，为安全起见，加深钻进至 342 m处下入Ф114 mm表层套管护壁，并及时调整 钻进参数和泥浆性能，为下部地层钻进创造较好的 井眼条件，妥善地处理了地层掉块及卡取岩心困难 的问题，保证了工程安全和项目顺利推进。 b.S95A绳索取心钻井参数的选择与使用 ① 钻压用Φ152 mm金刚石钻头开孔时，采 用 低 钻 压50100 N钻 进 ， 防 止 钻 孔 弯 曲 ； 用 S122/S97金刚石钻头钻进时，刚下井时采用低钻压 钻进，待正常后换用正常钻压5002 000 N钻进。 ② 转速用Φ152 mm金刚石钻头开孔时， 采用低转速50 r/min转速钻进，防止钻孔弯曲；用 S122/S97金刚石钻头钻进时，采用转速300400 r/min钻进，保证绳索钻进的优越性。 ③ 泵量用Φ152 mm金刚石钻头开孔时， 采用80 L/min左右泵量钻进，防止钻孔上部覆盖层 被冲垮；用S122/S 97金刚石钻头钻进时，采用 ChaoXing 增刊1董振国湖南保靖区块页岩气参数井钻探实践81 150200 L/min正常泵量钻进。 ④ 钻井液根据地层情况和页岩气储层保护 的需要[9]，保参3井钻井液采用的配方如下 上部钻井液主要防漏，配方为PHP火碱1 护壁剂水；钻井液性能参数中，密度1.041.06 g/cm3，黏度2835 s，PH值为89。随着钻孔的加 深，井内负荷上升，调整钻井液配方，确保钻井作 业的安全和顺利。 下部钻井液主要防垮塌和掉块，配方为PHP火 碱1防塌润滑剂CMC水；钻井液性能参数中， 密度1.031.05 g/cm3，黏度2124 s，pH值为89。 ⑤ 防斜打直措施把好设备安装质量关， 保证 天车、动力头中心、井口一条线。 一开轻压吊打，并适当控制钻速，为防止地基 下沉，钻机应打基础。二开钻进适当控制钻压且要 给压均匀，钻压、转速各参数科学合理，三班一致， 防止打斜。 严格按设计钻具组合配备钻具， 并选用钢性好、 不弯曲、不偏磨的钻具。 提下钻具应轻提轻放，不得碰撞。下钻遇阻时， 不能猛墩强扭钻具，以防钻具弯曲，造成孔斜[10]。 换径时应带导向，以防偏斜。 严格按设计要求跟踪测斜，每30 m测斜一次， 发现井斜异常时加密测量，及时采取措施，进行纠 斜，确保井身质量[11]。 在采取以上防斜措施后，全井井斜得到了有效 控制，保参3井最大井斜5.15，井底位移42.15 m， 井身质量符合设计要求图7。 3.5钻井周期对比 根据保靖区块地质钻探岩石级别为IV级，钻井 方式全井取心钻孔， 三口钻井的终孔深度， 按照钻机 月效率预算标准[12]中查取标准每日进尺为15.6 m， 钻井周期的计算公式 钻井周期预测井深/标准每日进尺 3 d钻井风 险时间 图 7保参 3 井井眼轨迹立体图 Fig.7Stereogram of well trajectory of Baocan 3 well 由此计算得到3口参数井的钻探周期如表4。 表 4参数井钻井周期对比 Table 4Comparison of drilling cycle of parameter well 井号预测钻井周期/d实际钻井周期/d增减天数/d 保参177.89824.11 保参265.37704.63 保参375.6042–33.60 从表4可知，在地层和井深基本相似情况下， 从保参1井到保参3井钻井周期在不断地缩短，这 是钻井的自学习过程和技术进步的结果，保参3井 钻井周期仅为42 d，比设计周期缩短44.44。 3.6小口径过钻具存储式测井 目前，国内外对井筒复杂井、小井眼、大斜度 井和水平井的测井施工主要采用随钻测井和钻杆输 送湿接头测井方法，但是这两种测井方法有其本身 的缺点，随钻测井虽然能克服水平井工具传输测井 的缺点，但由于成本较高，不能广泛推广使用。钻 杆输送湿接头测井方法由于仪器裸露在钻具的最底 部，仪器下放的过程中无法加压和旋转钻具，下井 过程中容易造成仪器损坏和工程事故。为解决以上 测井难题，过钻具存储式测井系统就应运而生，过 钻具存储式测井工艺由于仪器在钻具的内部，钻具 可以将测井仪器直接输送到井底，仪器下放的过程 中可以加压、旋转钻具和循环泥浆，采用存储式测 井具有技术优势，测井过程中可以带压作业，能够 完成复杂井况下测井作业、由于存储式井下仪器外 径较小，能适应小口径参数井[13]。 保靖区块参数井使用的CQ-TPML型存储式仪 器能在油基泥浆和水基泥浆测井环境中作业，仪器 一次组合下井可以取得电阻率、补偿中子、岩性密 度、自然伽马、井斜方位、井径等常规数据，同时 可以取得声波波列和阵列感应等阵列数据。 保靖3口参数井均为小口径参数井，完井直径 97 mm，2013年保参1井采用煤田常规电缆测井， 占用井场时间72 h，测井期间占用钻机台时多，遇 阻、卡严重，下入困难、风险较大。经过论证，2014 年在保参2井首次使用ECLIPS-5700挂接存储式测 井仪进行完井测井，占用井场时间54 h，其中通井 耗时25 h，实际测井时间为28 h；2015年保参3井 仅用16 h就顺利完成存储式测井作业，原始测井资 料优质率100，合格率100。 由于存储式井下仪器外径较小，在井眼的适应 性和井控方面较常规测井仪器有更大的优势。从图 1可以看出，在同一构造，保参2井由储存式测井 和邻井保页1井由斯仑贝谢常规测井测量的自然伽 马、电阻率声波、中子、密度等都具有较好的一致 性和可比性，所有测井曲线之间相关性良好，曲线 测值、起伏幅度和响应特征符合地区规律图8。 ChaoXing 82煤田地质与勘探第46卷 图 8保参 2 井存储式测井和保页 1 井常规电缆测井对比 Fig.8Comparison of conventional logging in storage well logging and Baoye 1 well in Baocan 2 well 4结 论 a. 通过声波测井资料，提取区块的地层压力和 岩石可钻性剖面，优选钻孔结构和钻头类型。采用 常规的“导眼三级套管”钻孔结构， 为优化钻井和安 全钻井提供保障。 b. 实践证实，采用机械岩心钻机进行页岩气参 数井施工，具有钻进效率高、钻井成本低、作业人 员少、取心率高的特点。 c. 通过页岩气参数井的钻探施工，积累了复杂 地质条件下页岩气井的钻探施工经验。绳索取心工 艺技术日趋成熟，成功地获得95以上的岩心收获 率；防斜打直技术效果显著，有效地解决高陡构造 区倾斜地层井斜控制难的问题。 d. 上部井段清水或膨润土浆钻进， 深部使用抑制性 泥浆体系，解决了泥页岩地层井壁稳定性问题和页岩气 储层保护问题，满足了测井对井眼的要求。采用过钻具 存储式测井系统适应小口径参数井，曲线具有可比性， 测井作业能够节省时间，具有广泛的推广价值。 参考文献 [1] 周正武，刘新凯，王延忠，等. 保靖地区龙马溪组高成熟海相 页岩吸附气量及其影响因素[J]. 中国石油勘探，2017，424 73–83. 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LUO Rong ， LUO Fengming ， LI Shuanglin. Application of logging technology in complex well logging in Tahe oilfield[J]. Petroleum Instrument，2013，27580–82. 我院顶板探放水定向钻进技术应用再创佳绩 近日，钻探所巴彦高勒煤矿探放水定向钻孔示范工程项目部成功完成主孔深度1 118 m的顶板探放水定 向长钻孔，探放水效果显著，标志着我院（中煤科工集团西安研究院有限公司）定向钻进技术与装备在蒙陕 矿区长距离探放水定向钻孔工程中取得了良好的应用效果，同时刷新了该地区岩层探放水钻孔孔深新纪录。 该示范工程项目采用ZDY6000LD（F）型定向钻机及配套装备，完成了孔径Ф96 mm、主孔深度1 118 m 的顶板探放水定向钻孔。施工采用的组合孔口装置，保证了高水压、大水量条件下的施工安全；长距离套管 隔离，解决了钻孔泥岩缩径、塌孔的问题，保障了复杂孔段的孔壁稳定性，为后续钻进奠定了基础。钻孔轨 迹严格按照设计要求精准穿越目标层位，并沿目标层位中延伸600余米，钻孔出水量达88.5 m/h，取得了良 好的探放水效果。 内蒙古巴彦高勒煤矿总工程师王根盛充分肯定了我院技术水平、现场施工组织管理及施工质量，同时对 项目部取得的成果表示祝贺，并发来贺信（贺信全文附后） 。该示范工程的成功实施，充分展现了我院在定向 钻进技术与装备及煤矿井下探放水施工技术方面的领先优势，为在蒙陕矿区采用定向钻孔进行探放水作业起 到了示范作用。 梅新 ChaoXing